CN105948033A - 湿法微波剥离制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明体涉及一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法。该方法是向不同粒径的可膨胀石墨中加入一定量的插层溶剂并超声波处理1‑10h,过滤处理后的溶液,将得到的可膨胀石墨高固体份体系加入带有溶剂收集器微波剥离设备中进行微波处理,制备得到石墨烯。插层溶剂经超声波处理后会渗透到膨胀石墨片层之间,并在微波剥离时迅速气化,使石墨剥离成石墨烯,并且层数更少。该方法剥离效果彻底、剥离出的石墨烯层数少、生产工艺简单、绿色环保、可工业化生产。
Description
技术领域
本发明属涉及一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子构成的二维碳材料,长程共轭结构使其非常坚硬,断裂强度可达42N/m2,抗拉强度和弹性模量分别为130GPa和1.0TPa。石墨烯同时还具有极好的导热、导电性能,在室温下导热率为5300W/(m·K),常温下电子迁移率超过15000cm2/(V·s)。石墨烯透光性能优异,吸光率仅为2.3%。石由于墨烯有着诸多优异的性能,因而近年来对石墨烯的研究和开发出现了快速增长。
石墨烯虽有诸多的优异性能,石墨烯的生产成本较高价格昂贵较大程度的阻碍了石墨烯的应用性。机械剥离法是最早用于石墨烯制备的物理方法,该方法得到的石墨烯较完美,但是产率低、成本高等特点,限制了它的工业化和规模化生产。液相剥离法是一种溶剂剥离法,且是剥离中比较有效的一种方法,这种方法制备的石墨烯质量很好,但是该方法制得的石墨烯产率很低,难以实现规模化生产。化学氧化还原法工艺简单,得到广大石墨烯从业者的青睐,并且已经实现了吨级规模的生产,其产品在一些涂层材料领域也得到了较好的应用,但是这种方法会有一些杂质的残留,就会一定程度地降低性质,而二次处理又会带来成本的大幅度上升。化学气相沉积法(CVD)主要用来制备高纯度、高性能的固体薄膜,是目前最理想的制备最高品质石墨烯薄膜的生产技术,但是它具有高耗能和价格昂贵的缺点,并且不能进行大面积和连续化生产,只能用于诸如显示器和晶体管制造等最高端领域。SiC外延生长法具有高成本和高温度的缺点,不适应现代硅电子器件的技术特点。而且,其高温操作、高基材价格和小尺寸的制造特性使其只能用于一些非常昂贵的领域。现有的微波剥离主要是将可膨胀石墨直接微波剥离。可膨胀石墨直接剥离剥离的产品中石墨烯占有比例少剥离不彻底,剥离后的石墨烯层数较多应用性差。
发明内容
针对上述问题,本明公开了一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,本发明利用超声波加入适当的插层溶剂处理可膨胀石墨,过滤后体系为带有大量的插层溶剂的高固体份体系,微波处理时插层溶剂迅速气化,因此大量的插层溶剂的存在就使得在进行微波剥离时,剥离更充分,剥离层数更少,也更为均匀。并且该方法制备工艺简单、成本低廉、绿色环保、适宜工业化生产与实际应用性高。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,将工业化生产的可膨胀石墨加入插层溶剂,放入现有常规超声波设备中进行超声波插层,超声波的剪切空化作用会破坏石墨层间的范德华力,使片层间的距离变大,同时使插层溶剂更好渗入到石墨片层间。超声处理后过滤去除部分插层剂。将过滤得到的含有大量插层溶剂的可膨胀石墨加入到有溶剂收集器的微波设备中进行微波剥离,微波辐照可瞬时使高固体份体系达到很高的温度使插层溶剂瞬间气化撑开石墨片层,使石墨变为石墨烯,气化后的插层溶剂可通过溶剂收集器冷却回收,即可得到石墨烯成品。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所用的可膨胀石墨的粒度为50-5000目时效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,插层溶剂的用量是石墨质量的20倍到100倍效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所用的插层溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿中任意一种。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,超声波处理温度为30-80℃,超声波功率为100-800W,超声波时间1-10h,处理后效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,在微波剥离时需要惰性气氛保护包括:氮气、氩气、氦气。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,插层溶剂在微波剥离时气化,所产生的气体可通过溶剂收集器回收在利用。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所述微波辐照处理条件为:微波频率915MHz-2450MHz,微波输出功率密度为50-150mW/cm3,微波辐照时间为5-100s,剥离后效果最佳。
本发明的有益技术效果:
(1)利用本发明所述方法,用超声处理可膨胀石墨,利用超声波的空化剪切作用膨胀石墨片层间距增大,同时使插层溶剂更深更细致的渗入到可膨胀石墨层间。过滤后去除部分插层溶剂,使可膨胀石墨处于高固体体份(使插层剂竟可能多的保留在可膨胀石墨片层之间),微波辐照时插层剂迅速气化将石墨片层撑开,使石墨片层分离成为石墨烯。由于高固体份中插层剂较多,所以微波爆剥后与现有的干法微波剥离相比较剥离的更加彻底并且剥离后的石墨烯层数更少,同时该方法是一个纯的物理分离的过程,所以制备的石墨烯结构不含有机官能团使用效果更加优异。
(2)本发明所述方法与普通微波剥离相比较可通过调节插层溶剂的用量,超声条件,微波条件来制备不同应用需求石墨烯,可控性更高。
(3)并且该方法与现有的石墨烯制备方法相比较制备工艺更简单、成本低廉、微波剥离后插层剂可回收与普通的剥离方法相比较更加绿色环保、并且可工业化大规模生产、产品实际应用性更高。
附图说明
图1为实施例1中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图2为实施例2中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图3为实施例3中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图4为实施例4中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图5为实施例5中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图6为实施例6中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图7为实施例7中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图8为实施例8中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图9为实施例9中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图10为实施例10中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
图11为实施例11中制备获得的石墨烯扫描电镜图;
具体实施方式
湿法微波剥离制备石墨烯的方法,将可膨胀石墨加入插层溶剂,放入现有常规超声波设备中进行超声波插层,超声波的剪切空化作用会破坏石墨层间的范德华力,使片层间的距离变大,同时使插层溶剂更好渗入到石墨片层间,超声处理后过滤去除部分插层剂,将过滤得到的含有大量插层溶剂的可膨胀石墨加入到有溶剂收集器的微波设备中进行微波剥离,微波辐照可瞬时使高固体份体系达到很高的温度,使可膨胀石墨层间的插层溶剂瞬间气化撑开石墨片层,使石墨变为石墨烯,气化后的插层溶剂可通过溶剂收集器冷却回收,即可得到石墨烯成品。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所用的可膨胀石墨的粒度为50-5000目时效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,插层溶剂的用量是石墨质量的20倍到100倍效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所用的插层溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿中任意一种。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,超声波处理温度为30-80℃,超声波功率为100-800W,超声波时间1-10h,处理后效果最佳。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,在微波剥离时需要惰性气氛保护包括:氮气、氩气、氦气。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,插层溶剂在微波剥离时气化,所产生的气体可通过溶剂收集器回收在利用。
进一步的,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,所述微波辐照处理条件为:微波频率915MHz-2450MHz,微波输出功率密度为50-150mW/cm3,微波辐照时间为5-100s,剥离后效果最佳。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
称取粒度为50目的可膨胀石墨10g,加入N-甲基吡咯烷酮1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率800W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出310g固体。
将抽滤后的固体送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率915MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图1、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
表1实施例1-11中最终产物的元素分析数据
N[%] | C[%] | H[%] | S[%] | |
实施例1 | 0.016 | 0.911 | 0.012 | 0.011 |
实施例2 | 0.015 | 0.938 | 0.017 | 0.033 |
实施例3 | 0.024 | 0.966 | 0.010 | 0.009 |
实施例4 | 0.013 | 0.958 | 0.010 | 0.018 |
实施例5 | 0.012 | 0.967 | 0.008 | 0.013 |
实施例6 | 0.011 | 0.965 | 0.010 | 0.014 |
实施例7 | 0.009 | 0.970 | 0.012 | 0.009 |
实施例8 | 0.008 | 0.975 | 0.08 | 0.008 |
实施例9 | 0.009 | 0.971 | 0.010 | 0.009 |
实施例10 | 0.006 | 0.972 | 0.012 | 0.010 |
实施例11 | 0.002 | 0.967 | 0.010 | 0.021 |
表2实施例1-11中最终产物的粒径分析数据
表3实施例1-6中最终产物的AFM厚度统计数据
实施例2
称取粒度为50目的可膨胀石墨10g,加入N,N-二甲基甲酰胺200g,放入超声波设备中,超声波温度80℃,超声波功率800W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出15g固体。
将抽滤后的固体送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率915MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图2、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
实施例3
称取粒度为50目的可膨胀石墨10g,加入二氧六环1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率100W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出100g固体。
将抽滤后的固体送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率915MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图3、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
实施例4
称取粒度为500目的可膨胀石墨10g,加入水500g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率800W,超声波处理1h。超声波处理后抽滤,滤出310g固体。
将抽滤后的固体送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率915MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图4、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
实施例5
称取粒度为400目的可膨胀石墨10g,加入甲醇1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率100W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出100g固体。
将抽滤后的固体送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率915MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图5、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
实施例6
称取粒度为800目的可膨胀石墨10g,加入乙醇1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率100W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出200高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为50mW/cm3,微波时间为100s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图6、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表3。
实施例7
称取粒度为800目的可膨胀石墨10g,加入乙二醇1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率100W,超声波处理10h。超声波处理后抽滤,滤出200g高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持氮气气氛,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为5s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图7、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表4。
表4实施例6-12中最终产物的AFM厚度统计数据
实施例8
称取粒度为800目的可膨胀石墨10g,加入丙酮1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率400W,超声波处理8h。超声波处理后抽滤,滤出100g高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持氩气气氛,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为45s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图8、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表4。
实施例9
称取粒度为800目的可膨胀石墨10g,加入四氢呋喃1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率400W,超声波处理8h。超声波处理后抽滤,滤出150g高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持真空状态,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为45s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图9、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表4。
实施例10
称取粒度为1500目的可膨胀石墨10g,加入甲苯1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率400W,超声波处理8h。超声波处理后抽滤,滤出200g高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持真空状态,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为45s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图10、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表4。
实施例11
称取粒度为5000目的可膨胀石墨10g,加入二氯甲烷1000g,放入超声波设备中,超声波温度30℃,超声波功率400W,超声波处理8h。超声波处理后抽滤,滤出200g高固体份溶液。
将抽滤后的高固体份溶液送入微波设备中,微波室中保持保持氢气气氛,微波条件为微波频率2450MHz,微波功率密度为150mW/cm3,微波时间为25s。制备获得的石墨烯的扫描电镜图见图11、元素分析数据见表1、粒径分析数据见表2、AFM厚度统计数据见表4。
实验结果分析:利用扫描电镜观察本发明所述方法生产的石墨烯的表面形貌,可以看出石墨烯表面有大量褶皱,说明石墨烯的层数较少;同时通过元素分析可看出该方法生产的石墨烯碳含量非常高,说明该石墨烯几乎不含一些有机官能团,石墨烯纯度较高;粒径分析表征了剥离后的粒径大小;原子力显微镜厚度统计结果表明,所生产的石墨烯的片层较薄并且相对较均匀。
Claims (8)
1.一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是,将可膨胀石墨加入插层溶剂,放入现有常规超声波设备中进行超声波插层,超声波的剪切空化作用会破坏石墨层间的范德华力,使片层间的距离变大,同时使插层溶剂更好渗入到石墨片层间,超声处理后过滤去除部分插层剂,将过滤得到的含有大量插层溶剂的可膨胀石墨加入到有溶剂收集器的微波设备中进行微波剥离,微波辐照可瞬时使高固体份体系达到很高的温度,使可膨胀石墨层间的插层溶剂瞬间气化撑开石墨片层,使石墨变为石墨烯,气化后的插层溶剂可通过溶剂收集器冷却回收,即可得到石墨烯成品。
2.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是,所用的可膨胀石墨的粒度为50-5000目。
3.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是:插层溶剂的用量是可膨胀石墨质量的20倍到100倍。
4.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是,所用的插层溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿中的任意一种。
5.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是:超声波处理温度为30-80℃,超声波功率为100-800W,超声波时间1-10h。
6.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是:在微波剥离时需要惰性气氛保护(如氮气、氩气、氦气)。
7.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是:插层溶剂在微波剥离时气化,所产生的气体可通过溶剂收集器回收在利用。
8.根据权利要求1所述,一种湿法微波剥离制备石墨烯的方法,其特征是:所述微波辐照处理条件为:微波频率915MHz-2450MHz,微波输出功率密度为50-150mW/cm3,微波辐照时间为5-100s。
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